Determinar como se mueve una galaxia no es tan sencillo como observar el movimiento de las cosas aquí en la Tierra debido a que las galaxias se encuentran a miles de millones de kilómetros de nosotros y se mueven a velocidades mucho mayores a las que estamos acostumbrados.
Los y las astrónomas deben recurrir entonces a fenómenos como el efecto Doppler pues, como puedes ver en la figura 3, cuando un objeto que emite luz, como una estrella o una galaxia, se acerca a nosotros vemos sus ondas de luz desplazadas hacia el azul debido al efecto Doppler, y si se aleja de nosotros vemos que su luz se desplaza al rojo. Como además este efecto se hace más fuerte cuanto más rápido se mueva el objeto respecto a nosotros, entonces podemos usar el efecto Doppler para calcular la velocidad de las estrellas y galaxias respecto de nosotros.
Figura 3. Debido al efecto Doppler, cuando las estrellas se alejan de nosotros, su luz se vuelve ligeramente roja, y cuando se acercan se vuelve ligeramente azul.
¿Y qué es el efecto Doppler?
¿Haz notado que cuando una ambulancia se mueve a gran velocidad, el sonido de su sirena se hace más agudo cuando se acerca a ti y más grave cuando se aleja? (Puedes notarlo en este audio).
Esto es porque cuando se acerca, las ondas sonoras que emite parecen juntarse y aumenta su frecuencia; al contrario, cuando se aleja las ondas parecen separarse y su frecuencia parece disminuir. A este cambio en la frecuencia de las ondas cuando la fuente que las emite se mueve respecto a quien las recibe le llamamos efecto Doppler y por supuesto que influye en las ondas de luz, por ello es muy importante en astrofísica.
Así que solo se necesita observar como varía la frecuencia de las ondas de luz sobre la mayor extensión posible de la galaxia para determinar la velocidad y la dirección con la que se mueven las estrellas y el gas dentro de ella. De esta forma, las y los astrónomos pueden obtener diagramas que muestren los vectores de velocidad de estos componentes en distintas partes de una galaxia. Estos vectores contienen la información de la magnitud (el valor numérico) y dirección de la velocidad, la cual se expresa en estos diagramas con un signo positivo si se acerca a nosotros o negativo si se aleja. Veamos un par de ejemplos.
En la figura 4 vemos a la galaxia espiral 10518-127905, en la figura 5 tenemos el campo de velocidad de las estrellas y en la figura 6 vemos el campo de velocidad del gas. (Puedes encontrar imágenes parecidas para todas las galaxias que verás en esta actividad en el sitio de Marvin junto con información más detallada; solo debes colocar su número de identificación en el buscador.)
AsComo ves, los vectores de velocidad se representan con pequeños cuadritos de colores (llamados Spaxel) cuyo valor puedes consultar en la barra de escala que está en el lado derecho del diagrama; los cuadritos comienzan siendo blancos cuando la magnitud de la velocidad es cero y se vuelven de rojo o azul intenso conforme la magnitud cambia. Observa que los valores positivos se marcan en azul e indican que las estrellas o el gas en esa parte de la galaxia se mueven hacia nosotros; mientras que el rojo representa los valores negativos que nos dicen que esa parte se aleja de nosotros. Si representamos los vectores con flechas, el diagrama se vería mas o menos así:
Y de forma similar para el campo de velocidad del gas. Si observamos con cuidado el diagrama, podemos darnos cuenta entonces de que la parte de arriba de la galaxia se mueve en una dirección, y la parte de abajo en otra, y lo mismo pasa con las partes laterales, el lado izquierdo tiene un color rojo claro, mientras que el derecho tiene un azul muy tenue. ¿Puedes decir entonces cómo se mueve toda la galaxia?
La respuesta es girando. Se ha detectado que en las galaxias espirales la mayoría de las estrellas y el gas rotan alrededor del núcleo (la parte central más brillante), así como los planetas giran alrededor del Sol; mientras que en algunas galaxias el núcleo se mueve de forma similar a una galaxia elíptica (lo veremos en un momento); además como observamos en los diagramas la velocidad de rotación no es la misma en toda la galaxia sino que cambia y en general aumenta conforme nos alejamos del núcleo. A grandes distancias, en algunas galaxias la velocidad se vuelve constante, en otras decrece y en otras incluso sigue aumentando, al menos en los campos de visión observados por MaNGA. En las galaxias espirales de tipo Sa la velocidad de rotación alcanza los 300 km/s, mientras que en las de tipo Sc es de alrededor de 200 km/s.
Para que te des una idea de lo grandes que son estas velocidades, toma en cuenta que los aviones supersónicos (los más rápidos del mundo) alcanzan velocidades de hasta 0.670 km/s 1.
American Museum of Natural History
En particular, la velocidad de rotación de nuestra galaxia, la Vía Láctea, es de 220 km/s 2.
Créditos:
American Museum of Natural History
Observemos ahora a la galaxia elíptica 10216-9101 en la figura 11 con su campo de velocidad estelar en la figura 12 y en la 13 el campo de velocidad del gas.
Los campos lucen muy distintos al de la galaxia espiral anterior, ¿no crees? Como ves, la mayor parte de las estrellas de la galaxia se mueven con velocidades positivas y hay zonas más pequeñas con velocidades muy cercanas al cero; además observamos algunas partes rojas separadas como si se ubicaran casi al azar; y para el gas ocurre algo similar. Entonces podemos decir que en las galaxias elípticas las estrellas y el gas generalmente no siguen un patrón de movimiento ordenado como en las espirales, más bien se mueven de manera aleatoria sin seguir una dirección específica. Representándolo de forma aproximada con flechas podemos verlo más claramente:
Entonces, en las galaxias elípticas lo que observamos son movimientos tanto de rotación como de dispersión; es decir, el gas y algunas de las estrellas dentro de la galaxia rotan alrededor del núcleo en órbitas definidas, pero la mayoría se mueven en órbitas sin forma definida y que cambian de dirección casi al azar. Las velocidades de rotación observadas en este tipo de galaxias son menores a los 100 km/s, mientras que la dispersión de estas velocidades (que nos indica que tan intensos son los movimientos de dispersión) suele ser de alrededor de 200 km/s, por lo que son los movimientos de dispersión los que dominan este tipo de galaxias.
Por otro lado, observa de nuevo los campos de velocidad de la galaxia elíptica, ¿notas que en los bordes hay partes que se ven como parches de un solo color? Esto es porque la cantidad de estrellas y gas disminuye conforme nos alejamos del núcleo de la galaxia y por ello se vuelve más difícil obtener información clara sobre su movimiento ya que la señal que recibimos de ellas es más leve (lo mismo pasa con la señal del WiFi cuando te alejas del modem), así que los y las astrónomas deben recurrir a una técnica llamada «Binning» que consiste en agrupar los datos de varios Spaxel y sumar su señal hasta alcanzar un valor mínimo que asegure que la calidad de ésta es lo suficientemente buena para que la velocidad pueda ser medida de manera confiable. Entonces, no es que todos los Spaxel en esas zonas tengan ese mismo valor de velocidad, sino que en esa zona ese es el valor más representativo.
1 NASA, Typical speeds for supersonic aircraft. https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/lowsup.html#:~:text=Typical%20speeds%20for%20supersonic%20aircraft,%2C%20expansions%2C%20and%20flow%20choking.
2 Camarillo, T., Dredger, P. & Ratra, B. Median statistics estimate of the galactic rotational velocity. Astrophys Space Sci 363, 268 (2018). https://doi.org/10.1007/s10509-018-3486-8